FDD LTE系统容量研究

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0 前言

容量规划在整个网络建设过程中尤其是在网络建设的初始阶段是非常重要的，只有全面正确地掌握LTE网络承载能力，才能更加准确的评估出LTE无线网络的建设规模和确定LTE系统带宽需求、天线及系统基带配置等。

与3G采用的码分多址技术不同，LTE主要基于OFDM和MIMO技术，因此影响LTE网络容量的各种因素也有所不同；此外FDD LTE的峰值速率和小区吞吐率由于技术体制的原因，与3G和TD-LTE也有一定的差异，这些差异都需要进行分析和研究，为FDDLTE未来网络规划建设提供技术参考。

1 FDD LTE 容量影响因素

1.1 载波带宽

LTE系统定义6种不同的系统带宽，不同系统带宽下传输带宽和保护带宽关系如表1所示。

资源块（RB）表示LTE系统可调度的频率资源单位组，1个RB由12个子载波组成。系统带宽配置，直接决定小区的理论峰值速率，分配给用户的RB个数越多，即系统带宽越高，系统的吞吐量越大。在小区服务中，系统需要对用户分配带宽资源，用户带宽资源直接影响用户的数据速率。用户分配带宽由两个因素决定，一是激活用户数目，二是资源分配算法。

1.2 循环前缀（CP）长度

CP长度需要大于无线信道的最大时延扩展，以避免严重的符号间干扰（ISI）和子载波间干扰（ICI）。CP又不能过长，过大的CP开销会带来额外的频谱效率损失。在LTE 系统中，正常CP 的CP 开销=（5.21+6×4.67）/500=6.67%；扩展CP 的CP 开销=16.67×6/500=20%。在使用扩展CP时，其传输开销要大于使用正常CP的传输开销，因此在满足时延扩展的条件下，使用正常CP比使用扩展CP可提供更大的系统容量。

1.3 MIMO 模式

LTE网络可以根据实际网络需要以及天线资源，实现单流分集、多流复用、复用与分集自适应、单流波束赋形、多流波束赋形等，这些技术的使用场景不同，但是都会在一定程度上影响用户容量。

1.4 上下行控制信道和参考信号开销

在为控制信令分配资源后，数据传输可以利用任何剩下的传输资源。因此最小化控制信令资源是最大化数据频谱效率的关键。除PDCCH和RS外，其余下行控制信道和信号的开销都与LTE系统使用的带宽有关。各个控制信道和信号的开销如下（NRB为LTE系统分配的RB数量）：

a）系统带宽较宽情况下PUCCH所占系统开销可以忽略。

b）上行参考信号每个时隙占用1个OFDM符号，开销比例为1/7=14.3%。

c）PDCCH：当使用1子帧中一个OFDM符号（最小PDCCH分配），控制开销为7.1%（=1/14）。

d）下行RS：每3个子载波间有一个参考符号，单天线传输每个时隙需要2个OFDM符号，下行2天线传输需要4 个OFDM 符号，下行4 天线传输需要6 个OFDM符号。开销比例4.8%~14.3%，需考虑与PDCCH重叠情况。

e）PSS和SSS开销：2×2×6/7/10/2/NRB。

f）PBCH开销：4×6/7/10/2/ NRB。

g）PCFICH 开销：4×4/7/2/（12×NRB），需考虑与PDCCH重叠情况。

h）一个PHICH组开销：12/7/2/（12×NRB），需考虑与PDCCH重叠情况。

表2给出了在不同天线配置和系统带宽下，下行控制信道和信号的开销占用度。虽然下行4天线会相比下行2天线的系统开销要高一些，但4×4 MIMO相比2×2 MIMO的系统容量要增加一倍，增加相应的参考信号开销是值得的。带宽越高，系统开销比重越小，因此建议FDD LTE采用2×20 MHz同频组网。

1.5 干扰消除技术

LTE系统设计所支撑频率复用因子为1，这意味着一个小区内的数据和控制信道会受到其他小区的干扰，尤其是最接近的相邻小区。为了避免低的小区边缘吞吐量性能，采用干扰消除技术很重要，干扰消除技术允许在小区边缘性能和整个小区平均的频谱效率之间有一个有效的折中。

ICIC技术使用灵活，实现简单，仿真效果较好，是目前LTE系统抗同频干扰的主流技术。ICIC从资源限制方式方面可以分为部分频率复用（FFR）、软频率复用（SFR）和全频率复用3种。SFR和FFR相对于FR=1，下行链路边缘频谱利用率均有提高，但是SFR相对于FFR来说以更低的整体频谱利用率的损失，获得和FFR相近的边缘频谱利用率的增益。FFR和SFR在系统低负载时，增益非常有限；在系统中高负荷时对边缘频谱利用率有明显增益；在中等负荷时，对边缘频谱利用率增益最大。

1.6 调度方式

LTE的几乎所有的应用与业务都是使用共享信道，由于各个业务与应用对服务质量（QoS）的要求是不同的，因此调度的好坏直接影响的就是QoS是否可以满足，也即是用户的使用体验是否比较好。调度器的主要功能是在不同时间点上为不同的用户调度各种资源，是基站中最重要的组成部分之一，调度器的设计好坏直接决定了基站的工作效率和实际性能。调度相关的内容绝大多数是不在标准化工作范围内，主要是设备实现的问题。调度器在工作时需要考虑多种因素，例如终端所处位置处信道质量、终端缓存状态、基站系统资源、业务优先级、用户优先级等，利用合理的调度算法使系统资源利用效率最高，同时尽量保证用户有更好的使用体验。

目前在实际商用的FDD LTE系统中应用较多的是改进的比例公平算法，因为该方法可以同时兼顾系统资源利用效率和用户的使用体验。在FDD LTE系统部署初期，LTE用户数较少时，使用轮询的方法也基本可以达到类似于比例公平的效果。

2 FDD LTE 同时可调度最大用户数

LTE同时能够得到调度的用户数目受限于控制信道的可用资源数目。同时调度用户数的定义为：系统在每个调度周期（1 ms）同时调度的用户数，进一步可计算1无线帧（10 ms）时间内可调度的用户数。

LTE中PDCCH支撑的4种格式如表3所示。

使用于特定PDCCH传输的CCE数量是由eNode B根据信道条件决定的。例如，如果PDCCH是针对一个良好下行链路信道的UE（如接近eNode B），那么一个CCE可能就够了。然而，对于信道条件不好的UE，为了充分实现其健壮性，可能需要8个CCE。另外可调整PDCCH的功率水平，以适配信道条件。

PHICH组数目有4种可能性。

MIB中相应的指示信息分别对应于Ng=1/6、1/2、1或2。其中，Ng=1是上行每一个PRB对应1个HARQ进程的时候所需要的PHICH组数目；Ng=2是MU-MIMO情况下上行每一个PRB对应2个HARQ进程的时候所需要的PHICH 组数目；Ng=1/6、1/2 分别对应于1 个HARQ进程占用6个和2个PRB的情况。

在一个子帧时间（1 ms）内，最大可支撑用户数的计算如下：

式中：

N——最大可同时调度用户数

nˉ ——平均一个PDCCH所需的CCE个数

NPDCCH——调度1个用户所需的PDCCH数目，在对称业务下通常NPDCCH=2

——使用的PHICH组数

NPCFICH——PCFICH所占用的RE数，NPCFICH=16

NRS—— 下行参考信号所占用的PDCCH 所在OFDM符号的RE数，由信道带宽决定，在10和20 MHz

带宽下使用2下行天线NRS分别为200和400

NRE——PDCCH所在OFDM符号的RE总数，表4给出了在10和20 MHz带宽下的NRE值

假设调度一个用户需要2个PDCCH并且LTE系统使用正常CP，表5 给出了在10 和20 MHz 带宽下PDCCH分别占用1、2、3个OFDM符号且Ng=1时，LTE系统在一帧内（10 ms）内可同时调度的最大用户数。

由此可见，在其他条件固定的情况下，PDCCH占用的OFDM符号数越多，同时可调度的用户数越多；PDCCH所使用的格式占用的CCE个数越多，可同时调度的用户数也就越少。

3 FDD LTE 峰值速率

根据LTE 3GPP标准，1个无线帧包含10个无线子帧，1 个无线子帧包含2 个时隙，每个时隙包含7 个OFDM符号（使用常规CP），1个OFDM符号包含n 比特信息（使用64QAM，n=6；使用16QAM，n=4；使用QPSK，n=2）。1个无线子帧的时间为1 ms。在使用常规CP、64QAM调制方式且不考虑开销的情况下，下行峰值速率为

峰值速率（理想）=（NRB×12×7×2×n）bit/1 ms （4）

假设PDCCH、参考信号、同步信号、信道编码等开销为η（可通过1.4节得出），则理论下行峰值速率为

峰值速率（理论）=C×（1-η）×编码效率×峰值速率（理想）（5）

其中，当天线模式为双流传输时，C=2；当天线为其他模式时，C=1。

当采用20 MHz带宽，双流传输，编码效率为0.9，PDCCH占用1个OFDM符号时，下行理论峰值速率为

2×（1-14.63%）×0.9×（100×12×7×2×6）bit/1 ms=155

上行峰值速率为

（1-14.3%）×0.9×（100×12×7×2×6）bit/1 ms=77.75

在3GPP 36.213规范中，定义了不同MCS、RB承载下的数据块数量（TBS），即在一个子帧/传输时间间隔（TTI）时间内的最大传输比特数量，TBS直接限制了LTE上下行信道的峰值速率。不同RB和IMCS对应的LTE 网络上下行峰值速率可查询3GPP 36.213 中表7.1.7.2.1-1和表7.1.7.2.2-1获得。图1给出了在不同MCS和系统带宽下，单流和使用2×2 MIMO双流LTE下行信道的峰值速率。可以看出MCS越大，LTE下行峰值速率越大，这是由于MCS越大相应的系统开销就越小，但对信道质量的要求也越高。在使用20 MHz下行系统带宽（即下行分配100个RB），使用最大MCS方式2×2 MIMO双流传输的情况下，LTE下行峰值速率可以达到149.78 Mbit/s，已经超出LTE下行100 Mbit/s目标峰值速率50%。在相同RB下，LTE系统的上行峰值速率与单流下行峰值速率相同。当系统带宽为20MHz时，上行峰值速率为75.376Mbit/s。

LTE单用户的上行和下行峰值速率不但与分配的RB 数量以及MCS 方式有关，还与LTE 终端类型有关。单用户的峰值速率为：

单用户峰值速率=min（终端能力，网络能力）（6）

其中终端能力由参考文献4列出。

在单用户测试条件下（即小区所有资源分配给一个用户），小区的峰值速率与UE 的能力有关，在20MHz带宽、PDCCH占用3个OFDM符号情况下，使用Cat 3 UE实际下行峰值速率只能达到100 Mbit/s，实际上行峰值速率为40~50 Mbit/s；使用Cat 5 UE实际下行峰值速率可达到127 Mbit/s，实际上行峰值速率可达到60 Mbit/s。Cat 5 UE没有达到理论峰值速率的原因是由于实际测试中PDCCH占用了3个OFDM符号，不能够使用最大资源块传输有效数据，所以没有达到LTE系统支撑的最高峰值速率。

4 FDD LTE 吞吐量

下行吞吐量指标与LTE的PDSCH能力息息相关，主要包括小区频谱效率、小区平均吞吐量指标和小区边缘吞吐量指标，其定义如下：

a）小区频谱效率：指用户按照一定规律分布时，整个小区的平均吞吐量＝所有小区吞吐量之和/小区数/系统带宽。

b）小区平均吞吐量：指用户按照一定规律分布时，整个小区的平均吞吐量＝所有小区吞吐量之和/小区数。

c）小区边缘吞吐量：指分布在小区边缘的用户吞吐量，在系统仿真时，边缘用户定义为对网络中所有用户按照用户吞吐量的大小降序排列，取5%处的那个用户。

图2分别描述了尽力而为全缓冲业务，Case 1和Case 3部署场景下行信道的频谱效率、小区平均用户吞吐量和小区边缘用户吞吐量，仿真场景是由多个厂家仿真结果进行平均得出。场景使用一个10 MHz带宽、20 dB的建筑物穿透损耗以及3 km/h的UE速度。

对于eNodeB间距离为500和1 732 m，分别称之为场景Case 1和场景Case 3。仿真中使用19个站址，每个站址3个扇区，每个扇区均匀分布10个用户。对于LTE，列出了2×2、4×2和4×4天线配置下的系统性能。下行4×2 MIMO天线和下行2×2 MIMO相比，小区平均下行吞吐率和边缘用户下行吞吐率性能提升不大；上行1×4接收分集相比1×2接收分集，小区平均上行吞吐率和边缘用户上行吞吐率性能有明显提升，可根据实际LTE网络部署需求进行天线配置。

图3给出了6个用户均匀分布时，实际FDD LTE外场测试扇区吞吐量结果。相对于10 MHz带宽，20MHz能够提升单用户速率一倍左右。对于上行，小区吞吐率在不同加载条件下变化均不明显，因此底噪的抬升对LTE上行容量的影响并不明显。这是由于对于上行数据业务，空口容量受限于终端发射功率，随着无线环境变差，发射功率会逐步提升直到最大发生功率限制，在达到最大发射功率之前，上行吞吐率基本保持不变。

5 FDD LTE 可容纳VoIP 用户数

一般情况下，某用户在使用VoIP进行语音通信时，若98%的数据包时延在50 ms以内，则认为该用户是满意的。而如果小区内95%的用户是满意的，则认为该小区所能容纳的VoIP用户总数为该小区的VoIP容量。

假设5 MHz系统带宽语音编码率为12.2 kbit/s，初传需要占用2个RB的用户占50%，需要占用3和4个RB的用户分别占用40%和10%，为HARQ重传预留20%的系统资源，PUCCH占用码道为2 RB，根据参考文献3中理论公式，FDD LTE小区的理论VoIP容量为

由于仿真中使用的IOT、控制信道限制以及调度方案不同，导致不同厂家仿真得到的可容纳的VoIP用户也有所不同。图4给出了在不同场景下LTE下行可容纳VoIP用户数，仿真结果由各个厂家的结果平均得出，可见在可承载VoIP数量方面，主要受限于上行信道。在5MHz带宽条件下，在Case 1和Case 3仿真场景下FDD LTE上行分别可容纳约241和123个VoIP用户，覆盖距离的增加也会明显减小可容纳的VoIP用户数。

6 结束语

本文首先研究分析了影响LTE系统容量的因素，包括系统带宽、调度算法、CP长度、上下行链路开销、MIMO、干扰消除等。接着通过峰值速率的研究，计算出在给定系统带宽下LTE系统理论所能承载的最大用户吞吐率，研究了在不同系统带宽下的FDDLTE上下行理论峰值速率，并给出了实际LTE单用户的峰值速率。LTE系统并发用户容量主要受限于调度信令和业务信道资源，研究分析了在不同信道带宽和控制信道配置下，FDD LTE系统同时可调度的最大用户数。最后通过仿真和实测数据分析了FDD LTE系统的小区平均吞吐量、小区边缘用户吞吐量以及VoIP容量。

通过分析研究FDD LTE网络容量及其影响因素，对于FDD LTE未来网络规模估算以及网络规划都具有实际意义。